CN102533124A

CN102533124A - 碳化硅衬底用抛光液

Info

Publication number: CN102533124A
Application number: CN2010106193974A
Authority: CN
Inventors: 储耀卿; 施尔畏
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2010-12-31
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种碳化硅衬底用化学机械抛光液，其包含如下所示重量百分比的以下组分：磨料1～50重量％；螯合剂0.01～8重量％；表面活性剂0.01～10重量％；分散剂0.01～10重量％；氧化剂0.1～20重量％；其余均为去离子水。该抛光液对碳化硅衬底表面损伤小；碳化硅衬底粗糙度值低，可达到粗糙度Ra值小于0.5nm；衬底表面无划痕和腐蚀坑的缺陷；除去速率高、易于清洗；不腐蚀加工设备、不污染环境；原材料价格便宜、成本低；易于储存。该抛光液主要用于衬底用的碳化硅晶体的化学机械抛光。

Description

碳化硅衬底用抛光液

技术领域

本发明属于一种特制的化学机械抛光液，特别是涉及外延衬底片用碳化硅材料的表面处理。

背景技术

宽禁带半导体SiC晶体材料的应用要求晶片表面超光滑，无缺陷，无损伤，SiC晶体加工的质量和精度直接影响到器件的性能。但是由于SiC晶体硬度极高，莫氏硬度为9.2，仅次于金刚石，使其表面加工异常困难，难以获得低粗糙度的高质量表面，使其广泛应用受到极大限制。制备高质量的外延片，对衬底片的要求不仅有低翘曲度、低弯曲度，总厚度偏差小之外，对衬底片的表面有特殊要求：低明显表面缺陷、低亚表面层损伤层、低表层加工应力。衬底片表面和亚表面缺陷，对外延层质量将产生极大的影响。衬底片的表面缺陷会增大衬底和外延层界面缺陷密度，不利于外延层中缺陷的减少；最终也会形成明显的外延层表面缺陷，导致外延片缺陷密度高，结晶性降低，电学性能差，最终影响了在国防军事中广泛应用的半导体场效应晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)、光电器件的性能。

只有通过化学机械抛光的方法才能获得低明显表面缺陷、低亚表面层损伤层、低表层加工应力的SiC衬底表面。目前，国内生产的化学机械抛光液均不是为了SiC单晶设计，SiC的化学惰性决定了一般的化学机械抛光液均不能满足要求。

公开的专利文献和非专利文献都没有提供成功获得SiC衬底表面的抛光液及制备方法。

发明内容

本发明的目的是制备一种SiC衬底用的化学机械抛光液。该抛光液对碳化硅衬底表面损伤小、除去速率高、易于清洗。该抛光液不腐蚀加工设备、不污染环境，原材料价格便宜、成本低，易于储存的优点。该抛光液抛光得到的碳化硅衬底粗糙度值低，可达到粗糙度Ra值小于0.5nm；衬底表面无划痕和腐蚀坑的缺陷；

一方面，本发明提供一种碳化硅衬底用化学机械抛光液，以所述化学机械抛光液的总重量为基准计，其包含如下所示重量百分比的以下组分：

磨料 1～50重量％，

螯合剂 0.01～8重量％，

表面活性剂 0.01～10重量％，

分散剂 0.01～10重量％，

氧化剂 0.1～20重量％，

余量为去离子水。

在一优选的实施例中，所述磨料是粒径为20～70nm的水溶性硅溶胶。

在一优选的实施例中，所述水溶性硅溶胶可以采用硅粉催化水解法或者水玻璃离子交换法制备。

在另一优选的实施例中，所述螯合剂是能够溶于水、无重金属离子的羟胺、柠檬酸铵、胺盐，优选乙二胺四乙酸。

在另一优选的实施例中，所述表面活性剂是能够溶于水、无重金属离子的羧酸盐、胺盐和季铵盐，如：聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺、四烷基卤化铵等，所述表面活性剂优选是十六烷基三甲基溴化铵。

在另一优选的实施例中，所述分散剂是能够溶于水的聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚醇、聚胺盐或聚羧酸盐中的一种或几种，所述分散剂优选是聚乙二醇。

在另一优选的实施例中，所述氧化剂是非金属氧化物、次氯酸盐、高锰酸盐等，如：过氧化氢、次氯酸钠、高锰酸钾，所述氧化剂优选是次氯酸钠。

在另一优选的实施例中，所述抛光液的pH为8.5～12，更优选9～11.5，最优选10.3～11.1，粒径介于10nm～90nm，更优选为60～85nm或15～55nm。

在另一优选的实施例中，一种碳化硅衬底用化学机械抛光液，以所述化学机械抛光液的总重量为基准计，其包含如下所示重量百分比的以下组分：

磨料 15～35重量％，

螯合剂 2～5重量％，

表面活性剂 2～5重量％，

分散剂 2～5重量％，

氧化剂 2～5重量％，

余量为去离子水。

粒径为70nm的硅溶胶 15～35重量％，

乙二胺四乙酸 2～5重量％，

十六烷基三甲基溴化铵 2～5重量％，

聚乙二醇 2～5重量％，

次氯酸钠 2～5重量％，

余量为去离子水。

本文中抛光液中硅溶胶的重量百分比以硅溶胶所含的SiO₂的重量除以抛光液的总重量来计算的。

另一方面，本发明提供一种本发明的化学机械抛光液在碳化硅材料的表面处理中的应用。

在一优选实施例中，所述碳化硅材料用于外延衬底片。

本发明与现有市场上抛光液相比具有以下优点：

1、磨料：本发明的抛光液采用硬度小于SiC晶体的水溶性SiO₂胶体，而市场上的抛光液多采用硬度大的Al₂O₃、Cr₂O₃的粉料，本发明抛光液的粒径小于100nm；市场上抛光液的粒径一般大于100nm；小粒径的抛光液对SiC晶片表面的损伤小，产生低的亚表面损伤和极低的加工应力。

2、本发明的抛光液对SiC晶片的除去速率可达到0.12um/h，抛光效率高，目前市场上的抛光液对SiC晶片的化学作用极低，除去速率低于0.1um/h。

3、本发明的抛光液为碱性pH介于8.5～12；不对加工的设备产生腐蚀性；不污染环境。目前市场上的抛光液多为酸性，严重腐蚀设备，抛光液的废料不易回收。

4、本抛光液采用硅粉催化水解法或者水玻璃离子交换法制备水溶性硅溶胶磨料，工艺简单，制备量大，成本低。

5、采用本发明的抛光液加工的SiC晶片，表面杂质颗粒数少易于清洗。对于2英寸的SiC晶片，杂质元素的个数比均小于10^-6个。

具体实施方式

本发明的碳化硅衬底用化学机械抛光液，以所述化学机械抛光液的总重量为基准计，其包含如下所示重量百分比的以下组分：

磨料 1～50重量％，

螯合剂 0.01～8重量％，

表面活性剂 0.01～10重量％，

分散剂 0.01～10重量％，

氧化剂 0.1～20重量％，

余量为去离子水。

较佳地，所述磨料是粒径为20～70nm的水溶性硅溶胶。

较佳地，所述水溶性硅溶胶可以采用硅粉催化水解法或者水玻璃离子交换法制备。

较佳地，所述螯合剂是能够溶于水、无重金属离子的羟胺、柠檬酸铵、胺盐，优选乙二胺四乙酸。

较佳地，所述表面活性剂是能够溶于水、无重金属离子的羧酸盐、胺盐和季铵盐，如：聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺、四烷基卤化铵等，所述表面活性剂优选是十六烷基三甲基溴化铵。

较佳地，所述分散剂是能够溶于水的聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚醇、聚胺盐或聚羧酸盐中的一种或几种，所述分散剂优选是聚乙二醇。

较佳地，所述氧化剂是非金属氧化物、次氯酸盐、高锰酸盐等，如：过氧化氢、次氯酸钠、高锰酸钾，所述氧化剂优选是次氯酸钠。

较佳地，所述抛光液的pH为8.5～12，更优选9～11.5，最优选10.3～11.1，粒径介于10nm～90nm，更优选为60～85nm或15～55nm。

较佳地，所述抛光液包含1～50重量％的磨料。较佳的是，所述抛光液包含15～35重量％的磨料。较佳的是，所述磨料是粒径为20～70nm的水溶性硅溶胶，较优选地，该硅溶胶可以采用硅粉催化水解法或者水玻璃离子交换法制备的浓度为50％的硅溶胶，更优选地所述磨料是平均粒径为70nm，pH为12，浓度为50％的水溶性硅溶胶。

较佳地，所述抛光液包含0.01～8重量％的螯合剂，较佳的是，所述抛光液包含1～6重量％的螯合剂。更佳的是，所述抛光液包含2～5重量％的螯合剂。

较佳地，所述抛光液包含0.01～10重量％的表面活性剂。较佳的是，所述抛光液包含1～6重量％的表面活性剂。更佳的是，所述抛光液包含2～5重量％的表面活性剂。

较佳地，所述抛光液包含0.01～10重量％的分散剂。较佳的是，所述抛光液包含1～6重量％的分散剂。更佳的是，所述抛光液包含2～5重量％的分散剂。

较佳地，所述抛光液包含0.1～20重量％的氧化剂，较佳的是，所述抛光液包含1～6重量％的氧化剂。更佳的是，所述抛光液包含2～5重量％的氧化剂。

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。

实施例1：制备5kg的碳化硅衬底用化学机械抛光液：

用水玻璃为原料，经离子交换反应得到聚硅酸溶液，添加稳定剂之后的聚硅酸溶液逐步结晶，形成母液，向母液按一定速度加入聚硅酸溶液，SiO₂晶粒有规则地渐渐长大，制得粒径70nm，分布均匀的硅溶胶。经浓缩、纯化步骤达到浓度50％(wt)硅溶胶成品，具体制备方法如下：

取模数为3(Na₂O·3SiO₂)的水玻璃溶液5500g(浓度41％)用去离子水稀释至含量至含SiO₂25％，Na₂O 1％，将溶液通过上海明兴开城有限公司提供的高度1.1米，直径为30cm的阳离子交换树脂(购自大连伟维防腐保温有限公司，001×7强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，树脂用量为30kg)的闪换柱，得到含SiO₂22.3％，Na₂O0.005％的硅酸钠胶体溶液21200g。把通过阳离子交换柱的硅酸钠胶体溶液再通过上海明兴开城有限公司提供的高度1.1米，直径为30cm碱性阴离子树脂(购自大连伟维防腐保温有限公司，201×7强碱性I系阴离子交换树脂，树脂用量为30kg)交换柱，得到更加稳定状态的溶液20800g，此时的硅酸钠溶液浓度较低，需要进行浓缩，为了防止浓缩时胶体凝聚，浓缩前需要加入稳定剂。取20kg的上述硅溶胶用10％的NaOH做为稳定剂调节pH至70，形成硅酸钠母液，取1kg硅酸钠母液进行真空减压浓缩，并保持容器内液面恒定，徐徐加入剩余的19kg，浓缩温度保持78℃，最后制得3.5kg的含SiO₂50％，Na₂O 0.03％，pH为12浓缩的硅溶胶溶液，平均粒径约70nm。

在强烈的搅拌作用下，向浓缩的3500g硅溶胶中逐渐加入250g乙二胺四乙酸做为螯合剂；加入十六烷基三甲基溴化铵250g做为表面活性剂；缓慢加入聚乙二醇(PEG600，平均分子量为570-630，国药集团化学试剂有限公司)250g做为分散剂，再加入250g次氯酸钠溶液，加去离子水至5kg，搅拌，制得5kg本发明的SiC衬底用化学机械抛光液。

试验检测：该抛光液pH值为11.1，粒径为60～85nm。

试验：用配好的抛光液进行SiC晶片的抛光试验，在AMT610C型抛光机上进行8片2英寸SiC晶片化学机械抛光试验：压力为1000g/cm²，抛光盘转速为50r/min，抛光液流量为10ml/min。用Veeco Dimension 3100AFM测SiC晶片表面粗糙度，8片测量结果的均值是0.41nm；采用Sartorius CP225D型精密电子天平(精度为0.01g)对8片SiC晶片抛光前后称重计算SiC晶片的材料除去率：除去速率平均为0.135um/h。采用SiC标准清洗后，杂质原子个数比均低于1×10^-6。

实施例2：制备5kg的碳化硅衬底用化学机械抛光液：

用硅粉催化水解法制备硅溶胶1500g，粒径为20nm，硅溶胶的浓度为50％。在强烈的搅拌作用下，逐渐加入100g乙二胺四乙酸做为螯合剂；加入十六烷基三甲基溴化铵100g做为表面活性剂；缓慢加入聚乙二醇(PEG600，平均分子量为570-630，国药集团化学试剂有限公司)100g做为分散剂，再加入100g次氯酸钠溶液，加去离子水至5kg，搅拌，制得5kg本发明的SiC衬底用化学机械抛光液。

试验检测：该抛光液pH值为10.3，粒径为15～55nm。

试验：用配好的抛光液进行SiC晶片的抛光试验，在AMT610C型抛光机上进行8片2英寸SiC晶片化学机械抛光试验：压力为1000g/cm²，抛光盘转速为50r/min，抛光液流量为10ml/min。用Veeco Dimension 3100AFM测SiC晶片表面粗糙度，8片测量结果的均值是0.37nm；采用Sartorius CP225D型精密电子天平(精度为0.01g)对8片SiC晶片抛光前后称重计算SiC晶片的材料除去率：除去速率平均为0.126um/h。采用SiC标准清洗后，杂质原子个数比均低于1×10^-6。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种碳化硅衬底用化学机械抛光液，以所述化学机械抛光液的总重量为基准计，其包含如下所示重量百分比的以下组分：

磨料 1～50重量％，

螯合剂 0.01～8重量％，

表面活性剂 0.01～10重量％，

分散剂 0.01～10重量％，

氧化剂 0.1～20重量％，

余量为去离子水。

2.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述磨料是粒径为20～70nm的水溶性硅溶胶。

3.如权利要求2所述的抛光液，其特征在于，所述硅溶胶采用硅粉催化水解法或者水玻璃离子交换法制备。

4.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述螯合剂是能够溶于水、无重金属离子的羟胺、柠檬酸铵、胺盐。

5.如权利要求4所述的抛光液，其特征在于，所述螯合剂是乙二胺四乙酸。

6.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述表面活性剂是能够溶于水、无重金属离子的羧酸盐、胺盐和季铵盐。

7.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述表面活性剂是聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺、四烷基卤化铵，优选十六烷基三甲基溴化铵。

8.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述分散剂是能够溶于水的聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚醇、聚胺盐或聚羧酸盐中的一种或几种，优选聚乙二醇。

9.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述氧化剂是非金属氧化物、次氯酸盐、高锰酸盐，如过氧化氢、次氯酸钠、高锰酸钾，优选次氯酸钠。

10.如权利要求1所述的抛光液，其特征在于，所述抛光液的pH为8.5～12，粒径介于10nm～90nm。

11.一种碳化硅衬底用化学机械抛光液，以所述化学机械抛光液的总重量为基准计，其包含如下所示重量百分比的以下组分：

磨料 15～35重量％，

螯合剂 2～5重量％，

表面活性剂 2～5重量％，

分散剂 2～5重量％，

氧化剂 2～5重量％，

余量为去离子水。

12.一种碳化硅衬底用化学机械抛光液，以所述化学机械抛光液的总重量为基准计，其包含如下所示重量百分比的以下组分：

粒径为70nm的硅溶胶 15～35重量％，

乙二胺四乙酸 2～5重量％，

十六烷基三甲基溴化铵 2～5重量％，

聚乙二醇 2～5重量％，

次氯酸钠 2～5重量％，

余量为去离子水。

13.权利要求1-12中任一项的化学机械抛光液在碳化硅材料的表面处理中的应用。

14.如权利要求13所述的应用，所述碳化硅材料用于外延衬底片。